镍基单晶高温合金表面喷丸强化技术研究综述

镍基单晶涡轮叶片作为先进航空发动机的关键热端部件,在服役过程中面临疲劳失效的风险。喷丸强化技术能够有效改善镍基单晶涡轮叶片的疲劳强度与服役寿命,已成为解决其疲劳失效问题的有效手段之一。重点针对传统颗粒喷丸和现代激光喷丸两类典型的喷丸强化技术,介绍了其基本原理与工艺特点;分析了镍基单晶高温合金的各向异性特征;综述了镍基单晶高温合金两类喷丸强化技术的国内外研究现状;总结了两类喷丸强化技术在镍基单晶高温合金上的应用瓶颈,进而展望了镍基单晶高温合金喷丸强化技术未来的发展趋势和研究方向,为拓宽喷丸强化技术的应用领域以及促进该技术在单晶高温合金部件上的工程化应用提供参考。

单晶LaB6阴极材料典型晶面的电子结构和发射性能研究

单晶LaB_6是一种理想的热发射和场发射阴极材料,其不同晶面表现出不同的发射性能.采用基于密度泛函理论的第一性原理计算分析了LaB_6单晶的(100),(110),(111),(210),(211)和(310)典型晶面的差分电子密度、能带结构和态密度,并对光学区熔法制备的高质量单晶LaB_6的上述典型晶面的热发射性能进行了测试.理论计算结果表明LaB_6各晶面结构的不同和电子结构的差异导致LaB_6发射性能具有各向异性,晶面内La原子的密度越大、费米能级进入导带越深、费米能级附近态密度越大及其在导带区域的分布宽度越宽、导带在费米能级附近分布越多,晶面的逸出功越低,发射性能越好.热发射测试结果表明,当阴极测试温度为1773 K,测试电压为1 k V时,(100),(110),(111),(210),(211)和(310)晶面的最大发射电流密度分别为42.4,36.4,18.4,32.5,30.5和32.2 A/cm^2,其中(100)晶面具有最佳的发射性能.

单晶LaB_6尖锥几何结构对场发射性能影响的CST模拟

单晶LaB_6尖锥有望成为理想的场致电子发射阴极,采用三维粒子模拟软件Computer Simulation Technology(CST)对尖锥曲率半径在0.1~10μm范围内的系列单晶LaB_6尖锥阴极的场致发射特性进行了模拟。研究结果表明,单晶LaB_6尖锥的电子发射轨迹为倒立锥形,锥尖处电位线最密集且场强最大,且随锥尖曲率半径的减小,锥尖处场强增大,发射电流增大。当LaB_6尖锥的锥角40°,锥高Ht=2 mm,锥尖曲率半径Rt=0.1μm时,尖锥获得最佳场发射性能:电场强度E=7.22×107V/cm,发射电流I=25.5μA。为具有优良场发射性能的单晶LaB_6尖锥场发射阴极的几何结构设计和加工提供了理论指导。

七铝酸十二钙电子化合物研究进展

钙铝石电子化合物[Ca 24 Al 28 O 64]4+:4e^-(C12A7:e^-)作为一种极具潜力的透明导电氧化物,自2002年进入人们的视野以来,就掀起了研究热潮,其制备工艺及应用在短短几年内取得了非常可观的发展。相较于其他电子化合物,它具有较好的化学稳定性,在450℃以下的空气中可以稳定存在。此外C12A7:e^-的独特纳米笼状结构使其具有较低的逸出功、较好的耐离子轰击能力以及可控的电性能,因此它在真空电子器件、催化化学反应以及超导等领域有着巨大的应用潜力。与传统阴极材料相比,它有两大优势:(1)逸出功低,比常见金属元素Ni(5.0 eV)、Mo(4.6 eV)以及LaB 6(2.67 eV)都要低;(2)耐离子轰击,阴极工作时因离子轰击而产生的溅射效应决定着阴极的寿命,而C12A7晶体中较强的化学键力使得它有着更加优良的耐离子轰击性能。此外,还有研究者在拓展该材料在催化剂载体、荧光灯、OLED等方面的应用。然而,C12A7:e^-的制备周期过长、还原条件苛刻、还原后电子浓度较低等难题一直制约着该材料的发展和应用。因此,近年来除深入探究该材料的应用外,研究者们还从开发高效快捷的多晶、单晶以及薄膜制备工艺方面不断尝试,并取得了丰硕的成果,在充分发挥C12A7:e^-应用优势的同时大幅缩短了制备周期并提高了电子浓度。目前,所制备的C12A7:e^-的电子浓度可达2.3×10^21 cm^-3,接近理论电子浓度2.33×10^21 cm^-3;在室温下的电导率也由2002年的0.3 S·cm^-1跃升至1380 S·cm^-1。自2002年Hayashi发现被紫外线照射后的C12A7:H-会由绝缘体变成电导体C12A7:e^-后,广大学者便致力于开发更加高效快捷的制备方法。2003年,Matsuishi等利用Ca金属气氛还原法制得了高电子浓度(2×10^21 cm^-3)的C12A7:e^-,但该方法会在样品表面形成致密的CaO薄膜而阻碍还原的继续进行,导致还原时间过长。此后,Hosono用Ti取代Ca金属有效缩短了还原时间,但金属蒸汽还原不能还原薄膜样品。2006年,CO/CO 2气氛还原法解决了这一问题,但还原后样品的电子浓度较低(Ne^1.4×10^19 cm^-3)。最近由本课题组开发的放电等离子体烧结(SPS)结合Ti金属还原法以及原位铝热还原法能够在0.5 h内还原制得接近理论电子浓度2.33×10^21 cm^-3的C12A7:e^-块体,是众多制备方法中还原时间最短、成本最低、最容易批量化生产的两种方法,克服了制备周期长、能耗大及电子浓度低等难题,这些优势为其大规模应用奠定了基础。但该方法只能用来制备C12A7:e^-多晶块体,仍然存在较大的局限性。本文归纳了关于C12A7:e^-制备方法的研究进展,分别对C12A7:e^-单晶、薄膜、多晶块体的制备方法展开论述并对比了目前采用较为广泛的制备方法的优缺点,分析了制备该材料所面临的问题并对其应用前景进行了展望,以期为寻找到更快速有效的制备方法提供参考。

La_(1-x)Nd_xB_6单晶的制备及热电子发射性能

以LaB_6和NdB_6粉末为原料,采用区域熔炼法成功制备了大尺寸、高质量的多元稀土六硼化物La_(1-x)Nd_xB_6(x=0.1~0.3)单晶,并测试了该系列单晶(100)晶面的热电子发射性能。本实验制备的单晶长度大于40mm,直径大于4mm。单晶衍射、劳埃照片、晶面摇摆曲线、单晶断口扫描等检测结果表明单晶质量较高,热发射测试结果表明在1 873K、4 000V下,单晶零场电流发射密度随着Nd含量增加从6.01A/cm^2降为4.83A/cm^2,有效逸出功从2.88eV增大到2.95eV。

[Ca24Al28O64]^4＋：4e^-电子化合物的制备及其电输运特性

金属氧化物电子化合物[Ca_(24)Al_(28)O_(64)]^(4+):4e^-(C12A7:e^-)因其天然的纳米尺度笼腔结构带来的新奇物理化学特性而在阴极电子源材料、超导和电化学反应等领域有着独特的应用价值.本文系统研究了以CaCO_3和Al_2O_3粉末为原料,采用固相反应-放电等离子烧结-活性金属Ti还原相结合的方法制备C12A7:e^-的工艺条件及其电输运特性.实验结果表明:在封装石英管真空度为10^(-5)Pa,还原温度为1100?C,还原时间为10—30 h条件下,成功制得载流子浓度为约10^(18)—10^(20)cm^(-3)的C12A7:e^-块体材料.第一性原理计算得到的C12A7:e^-能带结构和态密度表明,笼腔内的O^(2-)完全被e-取代后,C12A7:e^-费米能级明显穿过笼腔导带,说明位于笼腔内自由运动的电子使C12A7从绝缘体转变成导体,同时费米面附近的笼腔电子易于从笼腔导带跃迁至框架导带,在电场或热场的作用下电子更容易逸出,这也是C12A7:e^-逸出功低的主要原因.

Sr掺杂对12CaO·7Al_2O_3电子化合物电输运及发射性能的影响

12CaO·7Al_2O_3电子化合物(C12A7:e~–)是一种具有低工作温度和低逸出功等优点的新型电子化合物阴极材料。通过高温固相反应结合放电等离子烧结制备Sr掺杂(Ca_(1–x)Sr_x)12A7 (0≤x≤0.05)块体,并在1100℃采用Ti颗粒还原20h成功制得电子化合物(Ca_(1–x)Sr)x)12A7:e~–。第一性原理计算结果表明,(Ca_(1–x)Sr_x)12A7:e~–与C12A7:e~–相比,框架导带下移,费米能级附近态密度增加,这将有利于电输运和发射性能的优化。室温电输运测试结果表明, Sr掺杂有利于C12A7:e–电输运性能的优化,其中(Ca_(0.96)Sr_(0.04))12A7:e~–样品在室温下具有最高电导率(1136 S/cm)以及最高载流子浓度(2.13×1021 cm^(–3)),与相同条件下制备的C12A7:e–样品相比,载流子浓度提高近2个数量级,表明Sr掺杂可以有效缩短制备C12A7:e~–的制备时间。热电子发射性能测试结果表明,随着Sr掺杂量的增加,热电子发射性能逐渐提高,其中(Ca_(0.96)Sr_(0.04))12A7:e~–样品具有最佳的热发射性能,在1100℃外加电压3500V时,发射电流密度达到1.45A/cm^2,零场发射电流密度达到0.74 A/cm^2,理查生逸出功降低至1.86 eV。

单晶镍拉伸行为的分子动力学仿真

为了研究单晶镍的拉伸行为,采用LAMMPS分子动力学软件模拟分析了拉伸温度(300、600和900 K)、晶向([100]、[110]、[111])以及孔洞的缺陷数量(0、1、3)和直径(0.2a、0.4a、0.6a)对单晶镍拉伸行为的影响规律。结果表明:拉伸温度和晶向影响单晶镍的塑性变形方式,而孔洞的缺陷数量和直径影响单晶镍的力学性能。随着拉伸温度的增加,单晶镍的塑性变形方式由相变和层错为主转变为单一的层错变形方式;在[100]晶向上,单晶镍的塑性变形方式以相变和层错为主,而在[110]和[111]晶向上,则以层错为主;与孔洞缺陷数量相比,孔洞缺陷直径对单晶镍的力学性能影响较大,孔洞缺陷的存在致使单晶镍主要以层错形式发生塑性变形,且层错沿与拉伸方向成45°或135°的方向扩展。

激光冲击强化镍基单晶高温合金的电化学腐蚀行为

采用激光冲击强化技术处理了镍基单晶高温合金,随后分别热暴露于750和850℃下2 h,研究了其在3.5%NaCl溶液中的电化学腐蚀行为。结果表明,激光冲击强化处理增加了镍基单晶合金的耐蚀性,这与其诱导的残余压应力和γ/γ′两相中的位错结构有关。γ/γ′两相中非均匀分布的位错增加了两相错配度。热暴露后激光冲击强化试样电化学腐蚀试验表明,残余压应力和两相错配度是影响单晶合金耐蚀性的2个主要因素。残余压应力可以提高单晶合金的耐蚀性,而两相错配度则降低了单晶合金的耐蚀性。此外,单晶合金耐蚀性的提高也与Ta_(2)O_(5)和WO_(3)氧化物的形成有关。

激光冲击强化单晶Ni3Al合金分子动力学仿真

镍基单晶高温合金因具有高体积分数的L12结构γʹ(Ni3Al)相而具有优异的综合力学性能。为研究激光冲击下γʹ相的微观组织演变规律,采用分子动力学方法构建了单晶Ni3Al分子动力学模型,分析了[100]、[110]、[111]3种不同晶向上的微观组织演变行为。结果表明:[100]晶向冲击时,其塑性变形机制为fcc相向bcc相转变,并随着冲击压力的增大bcc相含量也随之增加;[110]和[111]晶向冲击时,其塑性变形机制为位错滑移,其中[110]晶向滑移系主要为(111)[011]和(111)[011],而[111]晶向滑移系主要为(111)[101]和(111)[101],产生的位错主要为1/6<112>(Shockley),但随着冲击压力的增加,塑性变形机制为fcc相向bcc相转变,同时产生无序结构。

七铝酸十二钙电子化合物单晶的电输运及电子发射性能

采用放电等离子烧结–光学悬浮区域熔炼–高温活性金属Ti还原相结合的制备方法成功获得了[Ca24Al28O64]4+:4e-(C12A7:e-)单晶体。测试了C12A7:e-的电子浓度,在800～1 100℃温度范围内测试了C12A7:e-单晶体自由生长面的热电子发射性能。结果表明:以活性金属Ti作为还原剂,在1 100℃还原30 h后,获得了接近理论电子浓度最大值(2.1×1021 cm-3)的C12A7:e-单晶,室温下的电导率达到1.96×103S/cm。在1 100℃,电压为3.5 kV时,发射电流密度达到最大值1.25 A/cm^2,平均有效逸出功为1.81 eV,表现出良好的热发射性能。